朱志全

陜煤集團榆林化學有限責任公司 陜西 神木 719300

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐如圖1所示，從圖中可以看出可視化裝置的布置，而氣化爐分成兩部分，一部分是上部的氣化室，一部為下部的激冷室，而其殼體主要是不銹鋼材質(zhì)，而內(nèi)部材質(zhì)則是剛玉耐火層，并在兩層間使用了陶瓷纖維的保溫棉進行填充，并在氣化室的中上外部位置安裝同軸雙通道水冷噴嘴，采取水平對置的安裝方式，并加設熱電偶在氣化室的直筒區(qū)域，以此來有效的監(jiān)測氣化爐溫度。使用高溫內(nèi)窺鏡并加裝在氣化室的頂、噴嘴平面，并與高速相機相結(jié)合來對氣化爐的燃燒進行有效的監(jiān)視，然后再記錄實際的顆粒反應狀態(tài)[1]。

圖1 氣化爐和可視化裝置布置圖

在本次實驗研究中主要運用了兩組成像系統(tǒng)，一組在氣化爐爐頂?shù)奈恢?，使用了JAI工業(yè)相機、高溫內(nèi)窺鏡，以此來監(jiān)視燃燒的實際情況，一組安裝在噴嘴平面位置，而此處使用PCO高速攝像機、高溫內(nèi)窺鏡，以此來實現(xiàn)對噴嘴平面煤顆粒的反應加以記錄[2]。

1.2 實驗條件

設定煤、水煤漿等實驗材料的性質(zhì)見表1。而氣化爐的操作條件主要是：水煤漿流速10kg/h、氧氣流速140m/s、氧氣流量81L/min、摩爾比1.2。

表1 煤質(zhì)分析和水煤漿物性參數(shù)

1.3 圖像處理

選擇噴嘴非射流區(qū)的回流區(qū)顆粒進行分析，因為部分顆粒在回流區(qū)運動，且速度低于射流區(qū)，可以更加清晰明了的查看揮發(fā)分的燃燒，設定相機4000fps，然后再對停留時間高的顆粒加以圖像的處理，最后分析顆粒在氣化基礎上的揮發(fā)分特性?；谠紙D像開展綜合處理，然后得出顆粒及火焰的實際信息，而經(jīng)過處理的圖片可以看出揮發(fā)分的尾跡顆粒，而低溫顆粒的高溫尾跡火焰亮度高于背景，顆粒亮度低于背景，所以判定背景高亮度區(qū)域的火焰是有效面積，并低于氣化爐的背景亮度。圖像處理步驟主要為：（1）拍攝彩圖進行轉(zhuǎn)換成灰度圖；（2）設置圖像的亮度、對比度等參數(shù)來提升顆粒和火焰與背景的對比識別度；（3）濾波處理促進背景平坦化，減少背景圖的不利干擾因素存在；（4）對圖像閾值進行有效的分割，調(diào)整閾值分離出現(xiàn)火焰和顆粒與背景，對黑色區(qū)域及白色背景進行二值化的圖像處理；（5）統(tǒng)計顆粒、火焰面積的實際參數(shù)，并換算得出顆粒和火焰的大小[3]。

顆粒的平均大小在通過噴嘴的霧化處理之后有50.00%左右均低于400 μm，而且到回流區(qū)時也經(jīng)過干燥、部分揮發(fā)分，所以選擇＜300μm的顆粒開展討論分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 揮發(fā)分燃燒過程

經(jīng)對顆粒揮發(fā)分燃燒的圖片進行處理后的圖像開展分析，如圖2所示，其摩爾比為1.2時得出的噴嘴平面顆粒揮發(fā)分的燃燒圖像，其以噴嘴當作起點呈現(xiàn)扇形的分布，主要分布在射流和非射流的區(qū)域流場，圖中所以框選的a區(qū)和b區(qū)位于射流區(qū)域，而c區(qū)和d區(qū)則位于非射流區(qū)域中[4]。

圖2 噴嘴顆粒反應過程

當水煤漿被高速氧氣加速剪切后進入氣化爐內(nèi)開始進行加熱氣化，而噴嘴平面出現(xiàn)較為強烈的氣化反應，并且出現(xiàn)較為復雜的流場，在回流區(qū)的高溫尾跡顆粒脫揮發(fā)分時，顆粒的速度受到高速氣流的影響，且揮發(fā)分的物質(zhì)輕，具有較高的浮力，此時煤顆粒揮發(fā)分后，被顆粒與氣流兩者速度矢量差的作用而聚集，并在顆粒一側(cè)拉長，且聚集、伸長和同氣流運動方向的相同。噴嘴平面的溫度也比高速射流氧氣要高，所以容易被點燃[5]。

揮發(fā)分的尾跡形態(tài)整體隨時間的變化而變化，而脫揮發(fā)分的速率及運動的狀態(tài)無法對尾跡的形態(tài)變化產(chǎn)生一定的影響。從圖2的a區(qū)和b區(qū)顯示的小粒徑顆粒，其揮發(fā)分的尾跡顯示，以及c區(qū)和d區(qū)的大粒徑顆粒尾跡對比表明，c區(qū)的顆粒在初始脫揮發(fā)分時尾跡短，但隨著氣流不受重力的影響而向上進行運動時，由于物質(zhì)比顆粒輕，所以揮發(fā)分的長度短，并且基本聚集在顆粒的上方，伸長和氣流的方向也相同。此時顆粒在脫揮發(fā)分時，實際的速率遠遠高于揮發(fā)分燃燒時的消耗速率，由于顆粒的速度低于氣流，且揮發(fā)分時一直在析出，所以揮發(fā)分的尾跡出現(xiàn)伸長的發(fā)展趨勢。圖2的d區(qū)位于上部的非射流區(qū)域，和射流區(qū)的頂端比較接近，而且在此區(qū)域內(nèi)的低速氣流容易受至高速氣流的卷吸影響而向其方向撞擊，當顆粒向上不斷運動至此區(qū)域時，向上運動的速度未完全消失，但揮發(fā)分被氣流拉扯而不斷的向左下伸展，運動的速度也不斷的下降，隨時間的增加，燃燒時的消耗速率則高于揮發(fā)分的析出率，由此導致尾跡呈現(xiàn)出逐漸變短的趨勢。圖2的a區(qū)則位于射流區(qū)的末端，所以高速氣流的速度不斷的向撞擊區(qū)略下方向，由此致使顆粒向上運動時，揮發(fā)分過程上從集中在顆粒的上方而變換成左下方，而且運動的速度也受氣流的影響而下降。在圖2的b區(qū)，小粒徑的顆粒尾跡出現(xiàn)半環(huán)伸長的狀態(tài)，此主要是由于顆粒在向b區(qū)進行運動過程中遇至高速氣流而引起顆粒運動狀態(tài)的改變，由此拉長了尾跡形態(tài)，尾跡半環(huán)狀則主要是受氣流和顆粒改變后的速度矢量影響導致。另外，某一刻的揮發(fā)分尾跡主要是由顆粒脫揮發(fā)分的階段、運動位置氣流和顆粒的速度所決定，顆粒對氣流運動的狀態(tài)、火焰形態(tài)具有非常大的影響[6]。

2.2 揮發(fā)分火焰隨時間變化分析

200μm與250μm的煤顆基于摩爾比1.2時的揮發(fā)分的火焰及顆粒的面積，兩者的等效直徑比伴隨時間的延長出現(xiàn)的變化如圖3所示，曲線主要是揮發(fā)分后的火焰面積的變化擬合趨勢，從0時進行記錄，在視場內(nèi)，顆粒＜200μm的火焰表現(xiàn)非常小，而且揮發(fā)分后的火焰比顆粒要大，所以無法調(diào)整亮度來分享圖像，出現(xiàn)非常大的誤差，所以在此不對200μm揮發(fā)分的火焰變化進行分析。

圖3 單顆粒揮發(fā)分火焰

由于揮發(fā)分燃燒主要是在顆粒內(nèi)一直進行析出、燃燒進行消耗相互疊加的過程，所以火焰的面積需要增高至峰值以后再降低。從圖3中可以清晰看出，揮發(fā)分后的火焰伴隨時間的延長而出現(xiàn)了先提升再下降的發(fā)展趨勢，并且200μm和250μm顆粒分別在8ms、12ms火焰的面積到達峰值，進而說明顆粒的燃燒主要是揮發(fā)分的釋放過程，以及反應消耗過程。通過比較200μm和250μm顆粒揮發(fā)分的火焰面積發(fā)現(xiàn)，其峰值速率及最大和顆粒的等效直徑比沒有較大的差異。在實驗時未能記錄完整的脫揮發(fā)分的過程，主要是由于水煤漿霧化時出現(xiàn)較多的顆粒，并在隨氣流運動時出現(xiàn)破碎而引起顆粒大小改變；在顆粒運動時，受湍流火焰及其它顆粒遮擋的影響，并且成像系統(tǒng)視場也有局限，所以導致無法記錄顆粒在較為完整的脫揮發(fā)分，無法比較顆粒從脫揮發(fā)分至火焰面積峰值的相應速率。有關(guān)研究顯示，其在21.00、29.80、40.02%O2中保持加熱速率（1.0×105k/s）對煙煤的顆粒進行研究，顆粒大小180～200μm，結(jié)果顯示顆粒在揮發(fā)分起始至火焰面積峰值需要8ms、3ms、2ms，并且當顆粒處于＞29.80%時，揮發(fā)分的燃燒只需要10ms即可完成燃燒。由此說明本次研究中，顆粒在氣化下的揮發(fā)分燃燒時間更長，而揮發(fā)分的燃燒時間和氧含量具有非常緊密的關(guān)系[7]。

3 結(jié)束語

綜上所述，對多噴嘴對置式的水煤漿氣化爐開展可視研究，清晰地分析了在氣流床氣化下顆粒的揮發(fā)分特性，再和圖像相結(jié)合分析揮發(fā)分的尾跡而得出，當顆粒經(jīng)過回流區(qū)揮發(fā)分后，火焰的形態(tài)則呈現(xiàn)為非典型的包絡型火焰，揮發(fā)分聚集方向和伸長的方向和氣流運動方向相同，并且揮發(fā)分后的尾跡形態(tài)受到兩方面的的影響，分別是顆粒脫揮發(fā)分所處階段，以及顆粒相對氣流運動狀態(tài)，而且時間發(fā)生變化也會促進其不斷的變化；顆粒粒徑提高則顯示揮發(fā)分的質(zhì)量也提高，釋放揮發(fā)分大量的物質(zhì)，增加了火焰的尺寸，并且在氣流床氣化還原性氣氛時，揮發(fā)分的燃燒時間也需要更長的時間進行燃燒。